Cursul 12 Biocombustibili. Impactul producerii de biocombustibili asupra solului. Dezechilibre produse de

subprodusele rezultate la fabricarea biocombustibililor. Creşterea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol datorită extinderii producţiei de biocombustibili. Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor si

reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol Biocombustibilii sunt combustibili pentru transport sub formă lichidă sau gazoasă, produşi din biomasă. Biomasa

este partea biodegradabilă din produse, deşeuri şi reziduuri din agricultură (inclusiv substanţe vegetale şi animale), sectorul forestier şi industria aferentă şi parte din deşeurile industriale şi municipale;

Conform reglementarilor existente numai produsele prezentate mai jos pot fi considerate ca biocombustibili: (a)”bioetanolul”: etanol produs prin fermentaţie din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor; (b)”biodiesel”: un metil-ester produs prin transesterificare din ulei vegetal sau animal, de calitatea dieselului; (c)”biogaz”: un combustibil gazos rezultat din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor care poate fi purificat la calitatea gazului (natural) pur, (d)”biometanol”: metanol produs prin fermentaţie din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor; (e)”biodimetileter”: dimetilester produs din biomasă, (f)”bio-ETBE (etil-terţo-butil-ester)”: ETBE este produs pe bază de bioetanol. Procentul în volum de bio-ETBE socotit ca biocombustibil este de 47%; (g)”bio-MTBE (metil-terţo-butil-eter)”: un combustibil pe bază de biometanol. Procentul în volum de bio-MTBE socotit ca biocombustibil este de 36%; (h)”biocombustibilii sintetici”: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice care au fost produse din biomasă; (i)”biohidrogen”: hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor, pentru a fi folosit ca biocombustibil (j) “ulei vegetal crud”; ulei vegetal produs din culturile oleaginoase, prin presare, extracţie sau proceduri comparabile, brut sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci când este compatibil cu motoarele la care este folosit şi când este conform cerinţelor normelor privind noxele.

Sistemul cel mai utilizat pentru propulsarea mijloacelor de transport este motorul cu ardere internă. Motoarele cu ardere internă cu piston sunt cele mai folosite pentru mijloacele de transport terestre şi utilizează în prezent drept carburant hidrocarburile petroliere. În funcţie de tipul motorului carburanţii sunt: benzina pentru motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), respectiv motorina pentru motoarele cu aprindere prin compresie (Diesel).

Un dezavantaj major al motoarelor cu ardere internă este dependenţa acestora de resursele limitate de hidrocarburi. Studiile efectuate în acest domeniu au demonstrat că, o dată cu dezvoltarea transportului auto bazat pe motoarele cu ardere internă, a crescut şi necesitatea producerii unei cantităţi mai mari de carburanţi din hidrocarburi. Din păcate resursele de petrol, pe care se bazează obţinerea carburanţilor auto, sunt limitate. O comparaţie între necesarul de produse petroliere şi producţia acestora pentru următorii ani este prezentată în figura 1. Dacă producţia de carburanţi petrolieri prezintă o pantă descendentă de-a lungul timpului, nu acelaşi lucru se observă la necesarul de petrol, care creşte odată cu dezvoltarea permanentă a societăţii. Diferenţa dintre cererea de petrol dictată de dezvoltarea, în principal, a transporturilor auto, şi disponibilul împuţinat datorită declinului producţiei trebuie acoperită din alte surse, iar biocombustibilii reprezintă una din aceste surse. Principalul avantaj al biocombustibililor este compatibilitatea lor cu soluţiile tehnice larg utilizate actual şi cu infrastructura existenta (de fabricare, transport si distribuţie. Biocombustibili sunt de asemenea neutri din punct de vedere al efectului de seră. Se spune despre un combustibil că este neutru atunci când nu se produce un surplus de CO2 în atmosfera prin arderea lui. Biocombustibilii sunt neutri pentru că la arderea lor se eliberează în atmosfera cantitatea echivalenta de bioxid de carbon care a fost fixata fotosintetic de plante când s-a produs materia primă vegetală din care s-au obţinut biocombustibilii.

Extinderea producerii şi utilizării biocombustibililor nu se datorează numai aspectelor legate de reducerea efectului artificial de seră. Există şi aspecte ale producerii şi utilizării biocombustibililor care sunt mai puţin evidente la o analiza superficială. Preţul petrolului, excedentele agricole, volatilitatea zonei Orientului Mijlociu (principal zona exportatoare de petrol), atitudinea Rusiei (principalul furnizor de gaze naturale) şi dependenta (de risipă) de energie au determinat guvernele europene (şi ale celorlalte state industrializate) să stimuleze producerea şi utilizarea de biocombustibili.

Principalii biocombustibili care sunt larg utilizaţi în prezent sunt uleiul crud (pentru motoarele diesel neperfecţionate, de pe autocamioane si tractoare); biodieselul (pentru motoarele diesel cu rampa comună sau cu pompă duză); bioetanolul (pentru motoare Otto sau pentru amestecul cu motorină sub formă de E-diesel); biometanolul (pentru motoare Otto şi pentru producerea de biodiesel).

In fig. 2 este prezentată diagrama obţinerii acestor biocombustibili. .

Fig.2. Diagrama obţinerii principalilor biocombustibili. Biodieselul este un amestec de esteri metilici ai uleiurilor vegetale, care se obţine printr-o serie de reacţii de

tranesterificare. In general esterii acizilor graşi se pot obţine prin tehnologii de derivatizare chimică (esterificarea directă a acizilor graşi rezultaţi ca subproduse la fabricarea săpunurilor sau rafinarea uleiurilor vegetale brute) sau prin semisinteză (prin alcooliza trigliceridelor naturale prezente în uleiuri vegetale şi grăsimi animale). În cazul utilizării tehnologiilor de semisinteză, esterii acizilor graşi se pot obţine printr-un proces necostisitor şi eficient din gliceride cu conţinut mare de acizi graşi. Sinteza acestora implică reacţia de trans-esterificare a trigliceridelor conţinute în surse de origine animală sau vegetală cu alcooli C1-C4, obţinându-se alchilesteri C1-C4 şi glicerină brută ca subprodus. Reacţiile de alcooliza (metanoliza) a trigliceridelor pentru producerea de biodiesel sunt prezentate mai jos.

Plante oleaginoaseRapita, Soia,

Floarea-soarelui

alge diatomee

Material lignocelulozic

frunze,tulpini, lemn

Plante amidonoase porumb, grâu

Plante zaharoasetrestie de zahar, sfecla de zahar,

sorg zaharat

Extractie

Extractie Hidroliza enzimatica

Fermentatie

Pre-tratament

Gazeificare

Purificarea

Transesterificare

Ulei crud Biodiesel Bioetanol Biometanol

Purificare singaz

Distilare Dehidratar

Sinteza catalitica

0

5

10

15

20

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030C

antit

ate,

mili

oane

bar

ili/z

i

Necesarul de petrol

Producţia de petrol diferenţa

Fig. 1. Necesarul mondial (existent şi estimat) de petrol comparativ cu producţia

existentă si cea estimată.

CH2 OCOR1

CH OCOR2

CH2 OCOR3

_

_

_ CH2 OH

CH OCOR2

CH2 OCOR3

_

_

_

triglicerid

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

_

_

_

CH2 OH

CH OH

CH2 OCOR3

_

_

_

+ ROH

R1COOR+

+ ROH

+ ROH

+

+

R2COOR

R3COOR

diglicerid monoglicerid

GLICERINÃ

alchilesterde acid gras

alchilesterde acid gras

alchilesterde acid gras

ALCOOLIZA TRIGLICERIDELOR

A) REACTII PRINCIPALE

B) REACTII SECUNDARE

R1COOH MOH R1COOM H2O

R1COOR MOH R1COOM ROH

+

+

+

+alchilester

de acid grasbazã sãpunuri

metalicealchilalcool

acid gras

R = alchil C1 C4-R1 R3 = catene hidrocarbonate-

C14 C22- alchil

M = metal

apã

In reacţia de transesterificare de mai sus se pot utiliza o mare varietate de catalizatori cum ar fi: catalizatori acizi,

enzime, săruri metalice sau catalizatori alcalini. Se preferă catalizatorii alcalini ca hidroxizii de sodiu sau de potasiu sau alcoxizi, datorită faptului că sunt eficienţi, se separă uşor din produsul de reacţie şi sunt compatibili cu sistemele tehnologice convenţionale.

Glicerina brută rezultată din procesul de tranesterificare se poate acidula, degresa şi usca parţial sau complet. Calitatea glicerinei se poate îmbunătăţi prin distilare cu vapori, distilare la vid, decolorare pe cărbune etc. Procedeele sunt însă costisitoare şi energofage (din apele glicerinoase se elimină apa prin fierbere). Producerea de glicerină la fabricarea biodieselului a dezechilibrat deja piaţa de glicerol datorită excedentului introdus pe piaţă. Sunt necesare noi utilizări pentru glicerină pentru a limitat efectele dezechilibrului produs pe piaţă datorită producerii de biodiesel.

Cercetările privind obţinerea combustibilului biodiesel s-au axat în principal pe transesterificare grăsimilor cu metanol, utilizarea etanolului pentru producerea de biodiesel prin tranesterificare fiind puţin studiată. Din punct de vedere al normelor de securitate a muncii şi pentru mediu etanolul este mult mai convenabil decât metanolul. Metanolul este foarte toxic, nu produce scânteie vizibilă atunci când arde, este 100% miscibil cu apa şi penetrează pielea cu uşurinţă, generând probleme grave pentru organisme şi mediu.

Etanolul prezintă în plus avantajul că se poate utiliza pentru a produce prin tranesterificare un biodiesel prin utilizarea exclusivă a resurselor naturale regenerabile şi a tehnologiilor biochimice.

Bioetanolul se obţine prin distilarea fermentatului unor zaharuri simple (glucoza, maltoza, rafinoză). Aceste zaharuri simple se obţin din: - plante zaharifere (sfeclă-de-zahăr; trestie de zahăr; sorg-zaharat); - plante amidonoase (porumb, grâu, cartof); - material lignocelulozic (biomasa reziduală).

Amidonul şi materialul lignocelulozic (de fapt hemiceluloze si celuloze) se transformă în zaharuri simple prin procedee de degradare (hidroliză) enzimatică (fig.3). Soluţia de zaharuri fermentescibile se tratează cu drojdie-de –bere (sau, în tehnologiile avansate cu bacterii Zygomonas mobilis) si se lasă la fermentat. Fermentaţia alcoolica durează 2-3 zile în cazul drojdiilor, câteva ore în cazul bacteriilor. Vasele în care se produce fermentaţia trebuie răcite, deoarece prin fermentarea fiecărui kg de zahăr fermentescibil se degajă

133 kcal. Bioxidul de carbon format in acest timp poate fi colectat în gazometre (şi ar trebui colectat pentru că altfel contribuie negativ la efectul de seră).

Prin fermentaţia alcoolică se produce un lichid, numit plămadă, care conţine până la 18 % alcool, restul fiind apă, cantitatea mici de glicerină, alcooli propilic, butilic, amilic etc. Acest lichid este supus unei prime distilări, in urma căreia rezulta etanolul brut, de 90 % concentraţie. Reziduul de la distilare se numeşte borhot si este folosit ca furaj, deoarece conţine proteine, grăsimi etc. Alcoolul brut este supus rectificării, în coloană de rectificare, obţinându-se ca produs de distilare un alcool de 95,6 %, iar ca reziduu de distilare glicerina şi fuzelul, un lichid uleios, format din alcooli superiori (propilic, butilic, amilic).

Procese enzimatice

Zaharurifermen-tescibile

Pre-tratament

Procese enzimaticeCelulozaBiomasa

reziduala

Amidon(porumb)

Procesefermen-tative

Biocombustibili

Noi materii prime

Fig. 3. Producerea de zaharuri fermentescibile şi fermentarea lor prin hidroliza enzimatică. Alcoolul de 95,6 % este un amestec azeotrop, cu punct de fierbere 78,15oC; de aceea, pentru obţinerea unui alcool pur (alcool absolut, necesar pentru a fi utilizat ca bioetanol) nu se poate recurge la încă o distilare (pentru ca azeotropul distila ca o substanţă pură), ci se aplică metode speciale de deshidratare (de exemplu tratarea cu substanţe care se combină cu uşurinţă cu apa ca oxidul de calciu, sulfat de calciu calcinat etc.) urmată de distilare.

Producerea biocombustibililor implică un lanţ întreg, care porneşte cu fermierul are cultivă planta energetică şi sfârşeşte la pompa de combustibil. In lume principalele ţări producătoare de biocombustibili sunt: Brazilia (bioetanol din trestie de zahăr); SUA (bioetanol din porumb); China (bioetanol din sorg); Uniunea Europeană (biodiesel din rapiţă). In fig. 4 sunt prezentate principalele zone producătoare de biocombustibili

Fig. 4. Principalele ţări producătoare de biocombustibili. Principalele culturi energetice pentru România sunt rapiţa, floarea-soarelui (cu conţinut ridicat de acid oleic),

sorgul zaharat şi porumbul. Dintre plantele de cultură de mai sus condiţiile cele mai favorabile le au în România floarea-soarelui (Helianthus

annuus L.) şi porumbul (Zea mays L.) Floarea–soarelui însă produce un ulei alimentar cu o bună acceptantă în rândul populaţiei, iar excedentul de seminţe îşi găseşte rapid valorificarea pe pieţele externe. Porumbul are de asemenea multe alte întrebuinţări, iar interesul pentru producerea de bioetanol este mic atât în rândul producătorilor de combustibili cât şi al agricultorilor. Considerente fiscale (nivelul ridicat de accizare al alcoolului, lipsa unor structuri eficiente de colectare a veniturilor statului) fac ca bioetanolul să nu beneficieze încă de nici un fel de facilităţi fiscale – ceea ce reduce din start interesul pentru acest biocombustibil.

Oricum planta cea mai convenabilă pentru producerea de bioetanol în condiţiile României este sorgul zaharat. Sorgul zaharat este cultivat în ultimii 25 de ani numai experimental în România.

Sorgul zaharat este o plantă anuală asemănătoare cu porumbul, foarte rezistentă la secetă, cu un ciclu vegetativ rapid, cu exigenţe mult mai reduse pentru îngrăşăminte în comparaţie cu porumbul.

Principalele argumente în sprijinul extinderii cultivării şi industrializării integrale a sorgului zaharat în România sunt: • Eficientizarea suprafeţelor extinse de teren agricol neexploatate sau ineficiente prin culturi masive de sorg şi crearea de noi locuri de muncă; • Cultivarea sorgului poate produce cantităţi foarte mari de biomasă (80-120 t/ha) cu conţinut de 15-30% zahăr (5-7 t zahăr/ha), materie primă regenerabilă pentru industria chimică, petrochimică, agricultură, industria alimentară, farmaceutică şi altele. • Prin industrializarea totală a sorgului se pot obţine: bioetanol (biocombustibil pentru mijloace de transport, utilaje agricole mobile şi fixe), sirop, oţet şi alcool alimentar, celuloză şi hârtie, acid acetic şi etilenă, fibre naturale, proteine vegetale, furaje pentru zootehnie, etc.; • Biocarburantul produs din sorg este ecologic, contribuind la reducerea emisiilor de bioxid de carbon, principalul responsabil pentru efectul de seră suferit de atmosfera terestră în ultima perioadă de timp;

Brazilia 16,9 MT

US 16,4 MT Altii 0,8 MT Europa

3,9 MT Europa 3,1 MT

Altii 6,6 MT

Biodiesel 8,9 % Bioetanol 86,8 %

• Tehnologiile industriale pot utiliza instalaţii existente sau puţin adaptate din industria chimică, nu produc deşeuri toxice sau reziduuri neutilizabile.

Conform estimărilor tehnico-economice, în România s-ar putea produce bioetanol din sorg zaharat prin tehnologiile convenţionale, la un preţ total mai mic de 200 euro pe tonă, inclusiv taxe vamale, costul transportului, comisioane, etc., preţ concurenţial pe piaţa europeană, în cazul obţinerii unei producţii de circa 5 tone etanol la hectar. Împreună cu producţia de ulei de rapiţă, estimată la o tonă la hectar, cele două tipuri de biocombustibil completează spectrul necesarului energetic al fermelor agricole, cele două specii de plante fiind complementare în asolamentul culturilor agricole.

Reziduul sau pulpa (bagasa) rămasă după extracţia sucului dulce din tulpini conţine celuloză în proporţie de circa 31-35% şi o serie de alte glucide convertibile în bioetanol după hidroliză enzimatică cu enzime specifice (fig.3).

Bagasa de sorg se poate folosi şi la obţinerea de celuloză. Celuloza obţinută din sorg este de calitate asemănătoare cu cea din lemnul de foioase (specii inferioare) destinate producţiei de celuloză. Producţia de celuloză albită la hectarul de sorg zaharat este mai ieftină şi de 2,5-3 ori mai mare decât cea obişnuită de pe un hectar de pădure.

Uniunea Europeană este însă o zonă cu preponderenţă a biodieselului. Pentru biodiesel cultura de bază este rapiţa. Pe plan mondial, în anul 2004, suprafaţa cultivată cu rapiţă a fost de 27.558 mii ha, pe plan european de 857 mii ha, iar în ţara noastră suprafeţele cultivate cu rapiţă au fost de 83 mii ha. Producţia medie de sămânţă a crescut în perioada 1990-2000 de la 1368 la 1543 kg/ha pe plan mondial, de la 2779 la 2935 kg/ha în Europa şi de la 916 la 1338 kg/ha în ţara noastră.

Producţia mondială de rapiţă este în creştere, după rapoartele FAO au fost obţinute 36 de milioane de tone în sezonul 2003-2004 şi 46 milioane tone în 2004-2005. Extinderea culturii de rapiţă a fost determinată pe de o parte de progresele înregistrate în ameliorarea acestei specii şi de avantajele economice, iar pe de alta de factorul ecologic ce limitează suprafeţele cultivate cu plante oleaginoase clasice, soia şi floarea soarelui, fapt ce a impus atragerea în cultură a altor specii cu conţinut bogat în lipide şi proteine, din cadrul cărora rapiţa (Brassica napus, var. oleifera) a cunoscut cea mai largă răspândire. Suprafaţa cultivată cu rapiţă în Europa (2004) este de aprox. 4,5 milioane hectare, reprezentând un sfert din producţia mondială şi se estimează la 4,63 milioane hectare pentru 2005 – 2006. Deşi va fi cultivată o suprafaţă mai mare, producţia de seminţe de rapiţă destinată fabricării uleiului va fi mai mică datorită creşterii cererii de biodiesel.

În România rapiţa s-a cultivat pe suprafeţe mai mari înainte de primul război mondial si între cele doua războaie mondiale. Astfel, în anul 1913, ea a ocupat 80,38 mii ha, iar în anul 1930 cca. 77,32 mii ha. Cultura de rapiţă prezintă următoarele particularităţi în România. Zone de favorabilitate: - zona foarte favorabila (zff): partea de vest si de est a tarii, Podişul Transilvaniei si zonele colinare adăpostite; - zona favorabila (zf): partea de sud a tarii, in condiţii de irigare. Perioada de vegetaţie si de campanie: - perioada de vegetaţie – 270 - 300 zile; - perioada de semanare- 5-15 septembrie, pentru sudul tarii ; 1-10 septembrie, pentru rest (pentru rapiţa de primăvara, semănatul se face timpuriu, în prima urgenta; - perioada recoltării – se recoltează in doua moduri :a) recoltarea in doua faze, tăierea plantelor in faza de coacere in pârga – lăsarea pana la uscare completa- treierare cu combina , la o umiditate de 12-14%. Evoluţia suprafeţelor cultivate (fig.5) rapiţă denotă un interes crescut al fermierilor români pentru această cultură. Deşi riscul compromiterii culturii în iernile fără zăpadă şi cu geruri puternice (cum s-a întâmplat şi ianuarie 2006) este foarte mare, cererea din ce în ce mai crescută a determinat creşterea suprafeţelor cultivate cu rapiţă în România. Este de aşteptat ca suprafeţele cultivate cu rapiţă să se extindă şi mai mult în viitor şi din această perspectivă este necesară o evaluarea corespunzătoare a impactului produs de această extindere asupra mediului în general şi asupra solului, în special.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Suprafata (mii ha)Productie medie(q/ha)Productie totala (mii to)

Fig.5. Dinamica suprafeţelor cultivate cu rapiţă în ultimii 10 ani în România. Impactul producerii de biocombustibili asupra solului. Producerea de bicombustibili nu este o activitate care prezintă numai efecte pozitive. Un exemplu deja menţionat este cel al dezechilibrării pieţelor agroa-alimentare şi ale produselor derivate. Producerea de bioetanol din sfeclă de zahăr de către Brazilia a determinat o creştere uşoară a preţului zahărului. Mult mai grav este impactul produs de utilizarea porumbului de către SUA pentru producerea de bioetanol, impact care a dus la reducerea rezervei mondiale de cereale şi la reapariţia spectrului foametei. In afara de dezechilibrarea pieţelor tradiţionale ale produselor agricole şi a derivatelor lor, unul dintre efectele negative cele mai pregante este asupra solului datorită:

• Posibilele practici de monocultură rezultate din cultivarea plantelor energetice, periculoase pentru viitorul utilizării terenului agricol (mai ales sub aspectul epuizării solului si al protecţiei plantelor);

• Poluarea rezultată din utilizarea în exces a fertilizanţilor şi pesticidelor pentru o cultură non-alimentară, în care nu se aplică restricţiile de randament agricol şi de contaminare impuse culturilor alimentare;

• Excesul de co/sub-produse care ar putea genera probleme de poluare a solului. Evaluarea riscurilor pentru sol a diferitelor culturi energetice pentru România este prezentată în tab.1. Se remarcă faptul că porumbul este o cultură cu impact negativ asupra solului şi că pentru filiera bioetanol este recomandabilă utilizarea sorgului zaharat.

Tab.1. Evaluarea riscurilor pentru sol al diferitelor culturi pentru biocombustibili.

Alte cereale

Graminee cultivate

Trifoi, lucerna

Sorg zaharat Grâu Floarea

soarelui Sfecla de

zahar Cartofi Porumb

Eroziune A A A A A B/C C C C

Compactare sol A A/B A/B B A A C C B

Spălare nurienti ape suprafaţa

A B B A A A/B B B C

Levigare A B B A A A/B B/C B/C C

nurienti acvifere Poluare cu pesticide

A A A B/C A B B B C

Deficit de apa în sol

A A A A B B B C A/B

Risc de incendii

--- C --- A --- --- --- --- ---

Riscuri privind biodiversitatea

B B/C B B B/C A/B B B/C C

Riscul practicilor monoculturale

B A A C C (B/C) B A/B C

A este risc scăzut, C este risc ridicat

Dezechilibre produse de subprodusele rezultate la fabricarea biocombustibililor. La fabricarea biocombustibililor rezultă următoarele produse secundare:

Biodiesel din rapiţă: - glicerină; - şroturi de rapiţă Bioetanol din sorg zaharat - bagasa de sorg (tulpini de sorg stoarse de zahăr); - drojdie de fermentaţie / borhot Bioetanol din porumb - borhot de porumb - drojdie de fermentaţie Aplicarea Directivei 2003/30/EC (publicată în Official Journal of the European Union, L 123/42, din 17.05.2003)

la nivelul României implică un necesar de circa 400.000 tone de biodiesel – necesar care generează concomitent peste 200.000 tone de glicerină şi peste 500.000 tone de şroturi de rapiţă. Şroturile de rapiţă nu pot fi folosite în proporţii mari în hrana animalelor (conţin tioglicozizi goitrogeni şi urme de acid erucic cardiotoxic), iar glicerina, deşi este un produs valoros, nu are utilizări care să acopere toată cantitatea (care va fi produsă).

Soluţia tehnologică clasică de recuperare a glicerinei presupune distilarea apei la presiune normală, urmată de distilarea glicerinei sub vid şi purificarea finală prin filtrare. Pe o instalaţie Crown Iron Works (recunoscută ca fiind una dintre cele mai eficiente) consumurile de abur sunt de 612 kg abur 6 bar pentru 450 kg glicerina farmaceutică şi 45 kg glicerină sub-standard. Costurile energetice (la o căldură specifică de 2257kJ/kg abur şi 35700 kJ/Nm3 de gaz metan) se menţin sub valoarea de 1000 lei, adică sub 2.5% din valoarea de piaţã a produsului. Creşterea previzibilă a costurilor energiei (practic dublarea lor) va menţine costurile energetice sub valoarea de 5% din valoarea de piaţă, menţinând procedeul viabil din punct de vedere economic. Problema nu este însă cea a costurilor energetice a recuperării glicerinei. O instalaţie de tipul celei menţionate costă milioane de euro şi este furnizată după 12-18 luni de la lansarea comenzii ferme - pentru a recupera un produs care este oricum excedentar în Uniunea Europeană!

Producerea în România a circa 500 milioane de tone de bioetanol din sorg zaharat va genera peste 1 milion tone de bagasa. Folosirea bagasei ca sursa de hrana pentru rumegătoare nu este foarte recomandata pentru ca bagasa de sorg zaharat favorizează producerea de metan (gaz cu efect de seră mai pronunţat decât bioxidul de carbon).

Sunt necesare noi abordări, care sa permită noi utilizări ale acestor sub-produse rezultate de la fabricarea biodieselului.

Glicerina brută / apele glicerinoase rezultate de la fabricarea biodieselului poate intra în componenţa unor amelioratori de sol (împreună cu hidroxid de sodiu şi acid acetic, sau catalizator şi acid citric)care se aplică prin pulverizare pe soluri. Acest tip de produs ajută la dezvoltarea plantelor, reducând agresivitatea solurilor acide şi stimulând dezvoltarea microorganismelor benefice (de ex. fixatori de azot). De asemenea regenerează solul, facilitează absorbţia substanţelor nutritive în ţesuturile plantelor şi contribuie la sporirea recoltelor. Tratamentul solurilor nisipoase cu un astfel de ameliorator pe bază de glicerină brută, urmat de irigarea acestuia, permite retenţia umidităţii timp îndelungat. Compoziţia funcţionează ca un tampon acido-bazic, menţinând balanţa pH-ului din sol.. Este prevenită astfel spălarea ionilor metalici care trebuie reţinuţi în sol până la absorbţia de către rădăcini şi translocarea lor spre părţile aeriene ale plantelor..

Apele glicerinoase pot fi utilizate şi ca adjuvant la aplicarea produselor agrochimice condiţionate ca pulberi de prăfuit şi în special a pesticidelor granulate, transformând ingredientele active solide sub formă de pulberi în particule fine, lipicioase, foarte adecvate pentru aplicări de refacere a structurii solului. Tot ca agent antiprăfuire, pentru limitarea efectelor de dispersie pe parcursul aplicării, intră în compoziţia unor fertilizanţilor anorganici generatori de praf (de exemplu DSF – disintegrating sulfur fertilizer), fără a interveni în procesul util de eliberare gradată a agentului activ (sulf, fosfat de amoniu, fosfat de calciu, nitrat de amoniu, nitrat de potasiu, clorură de potasiu, sulfaţi de potasiu). Valorificarea optimă (din punct de vedere a protecţie solului) a surplusului de biomasă rezultată din culturile tehnice folosite pentru producerea de biocombustibili este compostarea lor şi utilizarea compostului ca ameliorator de sol.

Compostarea este definită în general ca un proces de descompunere prin oxidare biologică a constituenţilor organici din deşeuri, practic de orice natură, în condiţii controlate. Deoarece compostare este un proces biologic de descompunere a materiei organice, necesită condiţii speciale, în particular, determinate de valori optime ale temperaturii, umiditate, aerare, pH şi raport C/N, necesare asigurării unei activităţi biologice optime în diferitele stadii ale procesului.

Principalii produşi ai procesului de compostare aerobă sunt: dioxidul de carbon, apa, diferiţi ioni minerali şi materie organică stabilizată, denumită humus sau compost.

Procesul decurge în două faze distincte: (1) mineralizarea şi (2) humificarea. Mineralizarea este un proces foarte intens care implică degradarea substraturilor organice uşor fermentabile, cum ar fi glucide, aminoacizi, etc. Degradarea este însoţită de o intensă activitate microbiana prin care se produce căldură, dioxid de carbon şi apă, ca şi reziduuri organice parţial transformate şi stabilizate.

Când fracţia organică este consumată, unele celule se descompun prin autooxidare pentru a furniza energie celulelor rămase. In timpul primei faze a compostării este necesară furnizarea unei cantităţi suficiente de oxigen (5-15%) pentru a permite atât un bun start al transformării microbiene, cât şi creşterea temperaturii, necesară menţinerii condiţiilor igienice de biodegradare a materialului organic.

Procesul de transformarea a substanţelor organice este completat în a doua fază a compostării - cea termofilă, care se desfăşoară în condiţii mai puţin oxidative, care permit formarea substanţelor cu caracter de humus şi eliminarea compostului toxic mai dens, format eventual în prima fază. In cea de-a doua fază a compostării este preferat un proces mai puţin oxidativ pentru a evita mineralizarea excesivă a substratului organic.

In decursul fazei de maturare, necesarul de oxigen este mai redus (5%), deoarece procesul biologic devine foarte slab si are ca efect reducerea temperaturii.

Se realizează astfel, prin procesul de compostare controlată, reciclarea materiei organice şi reducerea volumului deşeurilor solide.

Creşterea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol datorită extinderii producţiei de biocombustibili. Utilizarea composturilor rezultate din resturile vegetale ale culturilor tehnice folosite pentru fabricarea

biocombustibililor trebuie analizată şi sub aspectul producerii de gaze cu efect de seră. Oricum culturile energetice / pentru biocombustibili determină şi o creştere a gazelor cu efect de seră din

agricultură. Aceste culturi tehnice produc şi ele gaze de seră şi în special protoxid de azot. Mecanismele prin care se produc emisii de protoxid de azot din sol sunt prezentate în fig. 6.

NO3- NO2

- NH4+

N2O,NON2

Denitrificare (anaerobioza)

Nitrificare (aerobioza)

K1(t)

K3(t)

K2(t)

N2O(t) = K1(t) + K2(t) - K3(t)NO(t) = K’2(t)

NO

K’2(t)

Fig. 6. Procese biologice implicate în producerea protoxidului de azot din sol. Tab.2 Producerea de gaze cu efect de seră de către diferitele culturi tehnice utilizate pentru biocombustibili.

Biocombustibil Emisii GHG (kg CO2equiv/GJ)

CO2 CH4 N2O Total

Ester metilic din rapiţa 25 0.69 15 40.7

Etanol din sfecla 34 0.32 5.6 39.9

Etanol din boabe de grâu 24 0.69 3.7 28.4

Etanol din paie de grâu 0 - 0.59 13.3 12.7

Ulei de rapiţa crud 15 0.49 14.3 29.8

In tab. 2 sunt prezentate emisiile cu gaze cu efect de seră de gaze cu efect de seră de către diferitele culturi tehnice

utilizate pentru biocombustibili. Aceste date pot duce la o reanaliză a emisiilor nete de gaze cu efect de seră prin fabricarea diferţilor biocombustibili, din diferite surse.

Fermentaţia alcoolică se de Fig.7. Reducerea de emisii de gaze cu efect de seră pentru diferitele tipuri de biocombustibili. Roşu – în funcţie de

eficienţa globală de producere; albastru – în funcţie de capacitatea culturii de fixare de CO2. In afara de aceste aspecte care ţin de eficienţa globală a producerii de biocombustibili mai trebuie luate în considerare şi aspectele care ţin de valoarea EroEI a biocombustibililor (ERoEI = How much Energy is Returned on Energy Invested = Câtă energie obţii din energia investită?) Pentru a extrage un baril de petrol, al prelucra şi al transporta acolo unde este nevoie de el se foloseşte între a şaizecia parte şi a zecea parte din energia acelui baril. Cu alte cuvinte ca să extragi, să prelucrezi şi să transporţi 10 barili de petrol consumi între 0,17 si 1 baril de petrol. Estimările precaute ale ERoEI pentru energia cu care funcţionează economia noastră actuală sunt mult peste 10:1 (cu o mare parte a economiei funcţionând în jurul lui 30:1).

La determinarea EroEI cad cele mai multe alternative energetice după o simplă examinare. Hidrogenul comercial e un bun exemplu despre cum să consumi mai multă energie decât produci. Sursa cea mai comună pentru hidrogen este gazul natural. Gazul natural este tratat cu abur. Aburul este obţinut prin fierberea apei folosind şi mai mult gaz natural, petrol, cărbune. Prin ardere producătoare de bioxid de carbon cu efect de seră! Bunul simţ spune că hidrogenul comercial produs din gaze naturale nu este o soluţie de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră.

Biocombustibilii au un ERoEI mic (cu excepţia biodieselului din alge – a se vedea şi tab.3). Dacă se ia în calcul şi eficienţa motoarelor (TTW – tank to wheel) atunci eficienţa energetică a biodieselului din alge se aproprie de cea a benzinei.

Tab.3. Valorile EroEI pentru biocombustibili. WTT TTW WTW

Benzina 10 0.3 3.0

Biodiesel din rapiţa 3.2 0.45 1.44

Biodiesel din uleiuri alimentare uzate 5 0.45 2.25

Biodiesel din alge >5 0.45 >2.25

Bioetanol din amidon de porumb 1.34 0.3 0.402

Bioetanol celuloza (iarba grasa) 2.2 0.3 0.66

Hidrogen din gaz natural 0.528 0.405 0.214

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Etanol,

paie d

e grâu RME

Ulei vege

tal cru

d

Etanol,

grâu

Etanol,

sfecla

de zah

ar

Redu

cere

em

isii (

gC e

q/ha

/an

0

5

10

15

20

25

30

35

Redu

cere

em

isii (

gCeq

/v-k

m)

WTW – eficienţa producerii şi distribuirii; TTW – eficienţa motorului cu ardere internă; WTW; eficienţa de producere, distribuire şi utilizare. in cazul combustibililor trebuie luate în considerare şi mărimea suprafeţelor care trebuie cultivate. 1 ha de rapiţă produce circa 1 tona de biodiesel. Un camion pentru un singur drum Bucureşti-Timişoara (550 km la 25 litri/100 km) consumă 137,5 litri de motorină. Un singur drum, un singur TIR = 0,137 ha cultivate timp de un an!

Din motivele prezentate mai sus (impact negativ asupra mediului şi în special asupra solului, intensificarea producerii de gaze cu efect de seră din sol) soluţiile optime din punct de vedere ecologic sunt sistemele integrate, în care sunt urmărite concomitent producerea de biocombustibili, refacerea solurilor şi reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol.

Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor si reducerea emisiilor de gaze cu efect

de sera din sol. In fig. 8 este prezentat un prim tip de sistem integrat de fabricare de biocombustibili, reducere de gaze cu efect de

seră şi refacerea solurilor. Acest sistem se bazează pe (bio)conversia multiplă a co-produselor rezultate de la fabricarea biocombustibililor şi implică: (i) un procedeu de utilizare a bagasei de sorg pentru producerea de bagasa comestibilă lignocelulozică; (ii) un bioproces de conversie a substratului pentru cultivarea ciupercilor in amelioratori de sol cu etichetă ecologică; (iii) o instalaţie nou creată pentru producerea amelioratorilor de sol ; (iv) bioproduse cu eliberare controlată pe baza tulpinilor biologic active de Bacillus subtilis si Trichoderma viride; (v) cultivarea microorganismelor pe medii avand ca sursa de carbon apa glicerinoase; (vi) un proces inovativ de condiţionare a produselor biologice prin coacervare; (vii) biopesticide pe baza tulpinilor active de Bacillus subtilis, Burkholderia cepacia, Trichoderma viride rezultate de la (v) procesul de cultivare a microorganismului pe medii cu pe apa glicerinoasa; (viii) condiţionare pe bagasa de sorg sterilizata prin iradiere gamma; (ix) biofertilizanti pe baza de Rhizobium spp., Pseudomonas fluorescens, Azospirillum spp. rezultaţi de la procesul de cultivare al microorganismelor pe medii cu apa glicerinoasa şi (vii) condiţionare pe bagasa de sorg sterilizata prin iradiere gamma; (x) un bioinsecticid volatil produs printr-un proces de extracţie a glucozinolatilor de la şroturi de rapiţă.

In fig. 9 este prezentat un alt proces integrat de fabricare a biocombustibililor, din care rezultă inclusiv amelioratori de sol. Procedeul implică un proces biochimic, de solubilizare a carbohidraţilor din biomasă şi procedee termochimic, de distilare uscată şi de gazeifiere a materialelor vegetale care nu sunt hidrolizabile enzimatic. Din procesul de distilare uscată rezultă un cărbune vegetal cu proprietăţi foarte bune de absorbţie, care este folosit pentru absorbţia gazelor poluante (NOx şi SOx) emise de termocentrale (cu generarea unui fertilizant N-S cu eliberare controlată).

Biom

asa

Procesaretermochimic

Produse de bazaProcesele de baza

Biocombustibililichizi

Caldurasi

en. elect.

Bioproduse

PirolizaGazeifiere

Pretratament

ProcesareBiochimica

LichefiereHidroliza

FermentareBiocataliza

materiale lignocelu-

lozice

Hidrogen/Gas de sinteza

Bio-Oil

Mangal

Etanol

Biodies

el

Bio-Gaz

specialitati chimice

instalatiiprincipale

Tehnologiepile de

combustie

Tehnologiebiochimica

Tehnologie

chimica

instalatiiprincipale

Glicerol

Fig. 9. Ciclu integrat de conversie biochimică şi termochimică a materialului vegetal în biocombustibili,

amelioratori de sol, căldură şi energie electrică. De menţionat că subprodusele rezultate la distilarea bioetanolului fabricat din fermentarea zaharurilor hidrolizate

din biomasă sunt şi ele valorificate, prin producerea de biogaz şi de compost. Ultimele tipuri de sisteme integrate care vor fi prezente aici sunt cele care iau în considerare fixarea de către alge a

bioxidului de carbon în vederea producerii de biodiesel, biopesticide şi amelioratori de sol. In perioada anilor ’80, Departamentul Energiei al SUA a finanţat considerabil activitati de C-D din “Programul

speciilor acvatice”, pentru producerea de carburanţi din cianobacterii sau din microalge (biodiesel) pe scara mare, in sisteme consacrate. Acest efort a culminat cu o operarea unei instalaţii pilot pe 0,2 ha in Roswell, New Mexico, când s-a demonstrat capacitatea tulpinilor selectate de alge/cianobacterii de a fixa foarte eficient CO2 în bazine joase agitate de roti cu pale. In timpul anilor ’90, Japonia a sponsorizat RITE (Cercetari pentru Tehnologii Inovative ale Pamântului), fiind făcut un foarte mare efort de C-D privind cianobacteriile / microalgele utilizate pentru fixarea CO2 din gazele de ardere de la termocentrale si reducerea GHG, cu accentul pe folosirea fotobioreactoarelor închise cu diferite modele, in special din fibra optica si producerea unor produse secundare cu valoare mare. In final s-a dovedit ca bazinele deschise (majoritatea de tipul celor joase agitate de roti cu pale) constituie o metoda de producţie cu cost mai eficient decât fotobioreactoarele. Europa este de asemenea o parte din eforturile de cercetare a diminuării impactului GHG prin fixare cu cianobacterii / microalge. Se vor prezenta aici câteva exemple. EniTecnologie (Italia) a dezvoltat în 2005 un sistem pilot pentru utilizarea CO2 fosil emis de la o termocentrala NGCC pentru a produce biomasa cianobacteriana. In cadrul reţelei EUREKA, proiectul BIOFIX E3650, Institutul de Microbiologie de la Academia Ceha de Ştiinţe, Institutul pentru Cercetarea Carburanţilor de la Praga si Institutul pentru Procesarea Cerealelor, departamentul Alge din Germania au început, pe 1 ianuarie 2006, un proiect pentru utilizarea CO2 din gazele de ardere pentru creşterea recoltei produse de microalge. Un

studiu de fezabilitate a început recent (in vara anului 2005) la Universitatea Internaţionala Bremen. Proiectul va investiga perspectiva dezvoltării unui sistem fotosintetic pe scara larga pentru controlul gazelor de sera. Scopul este utilizarea cianobacteriilor ca sechestranti naturali pentru emisiile de CO2 de la o termocentrala pe cărbune EON Ruhrgas de 350 MW la Bremen.

Toate aceste noi cercetări sunt menite să dezvolte noi căi de fixare (eficientă şi sigură pentru mediu) a bioxidului de carbon, în paralel cu producerea de biocombustibili.